87
Ćwiczenie 8
ANALIZA HARMONICZNA RZECZYWISTYCH PRZEBIEGÓW
DRGAŃ
1.
Cel ćwiczenia
Analiza złożonego przebiegu drgań maszyny i wyznaczenie częstotliwości
składowych harmonicznych tego przebiegu.
2. Wprowadzenie teoretyczne
2.1. Sygnały pomiarowe
W celu przeprowadzenia poprawnych pomiarów, a więc doboru odpowiednich
czujników i aparatury, należy zdawać sobie sprawę z jakimi rodzajami sygnałów
drgań mamy do czynienia. Sygnały pomiarowe można podzielić na dwie grupy:
1. Sygnały zdeterminowane – sygnały, których wartości można przewidzieć w
dowolnym czasie. Sygnały zdeterminowane dzielą się na:
- sygnały okresowe,
harmoniczne,
złożone (poliharmoniczne),
- sygnały nieokresowe,
prawie okresowe,
przejściowe ( impulsowe, np. udary - zaczynające i kończące się na
poziomie zero).
2.
Sygnały przypadkowe (losowe, stochastyczne) - wartości tych sygnałów w
każdej chwili są zmiennymi przypadkowymi (losowymi), a ich właściwości
opisuje się za pomocą charakterystyk statystycznych, tzn. parametrów uśrednia-
jących cechy ich zmienności w zakresie amplitud, częstotliwości lub czasu.
Sygnały przypadkowe dzielą się na :
- stacjonarne - charakterystyki statystyczne (m.in. wartość średnia, wartość
średnia kwadratowa) nie są funkcjami czasu,
- niestacjonarne.
Przykładem sygnału zdeterminowanego mogą być drgania pochodzące ze
skrzyni przekładniowej – Rys.8.1a, lub ruch tłoka w silniku spalinowym
zawierający dwie częstotliwości ω i 2ω (Rys.8.1b). Na Rys.8.1c przedstawiony
jest przebieg czasowy i widmo sygnału nieciągłego (np. udaru). Typowym
88
przykładem drgań przypadkowych są drgania spowodowane przepływem cieczy,
szumy, zakłócenia, drgania karoserii pojazdu podczas jazdy na nierównej
nawierzchni, szum deszczu. Są one scharakteryzowane ruchem całkowicie
przypadkowym, nie występuje tu żadna charakterystyczna częstotliwość, a rozkład
sygnału w funkcji częstotliwości jest równomierny – Rys.8.1d.
Jeżeli pomiary i analiza mają dotyczyć pewnego zakresu częstotliwości, i
jeżeli nie są narzucone, np. przez normy warunkujące pomiar konkretnego
parametru (przemieszczenia, prędkości czy przyspieszenia), generalną zasadą jest
pomiar tej wielkości, która ma najbardziej płaską charakterystykę w funkcji
częstotliwości (Rys.8.2). Pozwala to objąć pomiarami największy zakres dynamiki
badanego układu. Jeżeli jednak nie znamy tej charakterystyki, należy wybrać
prędkość drgań [3].
Rys. 8.1. Rodzaje sygnałów: a), b) – zdeterminowane, c) - impulsowy, d) - przypadkowy
Rys.8.2. Wybór parametru mierzonych drgań ze względu na przebieg charakterystyki
widmowej; a) - przemieszczenie, b) - prędkość, c) - przyspieszenie.
a)
b)
c)
d)
p
rz
y
s
p
p
rz
y
s
p
p
rz
y
s
p
p
rz
y
s
p
s
iła
s
iła
s
iła
s
iła
czas
czas
czas
czas
czas
czas
częstotl
.
częstotl
.
a)
b)
c)
przysp.
prędk.
przem.
przysp.
prędk.
przem.
przysp
.
prędk.
przem
częstotliwość
częstotliwość
częstotliwość
p
o
z
io
m
d
rg
a
ń
p
o
z
io
m
d
rg
a
ń
p
o
z
io
m
d
rg
a
ń
89
Jest to ważne zwłaszcza, jeśli charakterystyka nie jest wystarczająco płaska.
Wtedy udział składowych znajdujących się znacznie poniżej średniego poziomu
zakresu pomiarowego będzie mniej zauważalny, a w przypadku pomiarów w
całym zakresie częstotliwości, najmniejsze składowe mogą w ogóle nie być
wykryte.
Kryterium płaskiej charakterystyki oznacza, że w większości przypadków w
pomiarach drgań maszyn mierzona będzie prędkość. W pewnych przypadkach
może być to też przyspieszenie, choć dla większości maszyn duże przyspieszenia
występują
tylko
przy
wysokich
częstotliwościach.
Płaska
widmowa
charakterystyka przemieszczenia jest mało prawdopodobna, gdyż dla większości
maszyn, duże amplitudy przemieszczeń występują tylko przy małych
częstotliwościach. Oczywiście mogą też być inne powody, które uniemożliwiają
zastosowanie określonych czujników, np. masa czujnika może być zbyt duża w
stosunku do masy badanego obiektu, czy też zakres pomiarowy czujnika jest
niewystarczający dla danego pomiaru.
Z zależności między przemieszczeniem, prędkością i przyspieszeniem
(całkowanie lub różniczkowanie) wynika, że dla określonego poziomu prędkości
drgań, przy wzroście częstotliwości, amplitudy przemieszczenia maleją (dzielenie
przez
ω
), natomiast amplitudy przyspieszenia rosną proporcjonalnie do częstości
kołowej
ω
(mnożenie przez
ω
) – Rys. 8.3.
Rys. 8.3. Przykład charakterystyki widmowej sygnału drgań przedstawionej jako
przemieszczenie, prędkość i przyspieszenie.
Amplituda względna
Częstotliwość
przyspieszenie
prędkość
przemieszczenie
90
W pewnych przypadkach pomiarów drgań (np. pomiar poziomu drgań
pochodzących od niewyważenia) mogą wystarczyć przebiegi czasowe. Można na
ich podstawie określić amplitudę, częstotliwość ( f=1/T ) czy przesunięcie fazowe
między sygnałami. Jednak w większości przypadków przebiegi drgań są bardziej
złożone, a przebiegi czasowe dają tylko informację o całkowitym poziomie drgań
(Rys.8.4).
Rys. 8.4 Przykład przebiegów czasowych drgań.
2.2. Analiza widmowa drgań
W celu uzyskania informacji o składowych złożonego przebiegu drgań,
należy przeprowadzić analizę widmową (częstotliwościową) uzyskanego z
pomiarów sygnału czasowego. Analiza sygnałów może odbywać się w sposób
analogowy, cyfrowy lub mieszany. Analogowe przetwarzanie sygnałów można
przeprowadzić przy pomocy analizatorów widma. Może to być zespół filtrów o
różnych
częstotliwościach
przepuszczania,
lub
przestrajane
filtry
wąskopasmowe. Do przetwarzania cyfrowego stosuje się najczęściej szybką
transformatę Fouriera (FFT).
Przedstawienie funkcji okresowej za pomocą szeregu Fouriera jest
równoważne rozłożeniu funkcji okresowej na jej funkcje składowe: składową
stałą a
0
i składowe harmoniczne o pulsacjach
ω
1
,
2
ω
1
,
3
ω
1
, …, n
ω
1
, gdzie
ω
1
oznacza pulsację podstawową, a n
ω
1
są pulsacjami harmonicznymi, n jest liczbą
naturalną. Pulsację podstawową określa wzór
T
π
ω
2
1
=
,
(8.1)
gdzie: T – okres funkcji.
PRZYSPIESZENIE, KIERUNEK Y
0
5m
10m
15m
20m
25m
30m
35m
40m
45m
50m
55m
60m
-20
-15
-10
-5
0
5
10
15
20
[m/s˛]
PRZYSPIESZENIE
0
5m
10m 15m 20m 25m 30m 35m 40m 45m 50m 55m 60m
-20
-15
-10
-5
0
5
10
15
20
[m/s
2
]
[s]
PRZYSPIESZENIE, KIERUNEK X
0
5m
10m
15m
20m
25m
30m
35m
40m
45m
50m
55m
60m
-6
-4
-2
0
2
4
6
[m/s˛]
PRZYSPIESZENIE
0
5m 10m 15m 20m 25m 30m 35m 40m 45m 50m 55m 60m
-6
-5
-2
0
2
4
6
[m/s
2
]
[s]
91
Równanie opisujące przebieg okresowy x(t) przy pomocy szeregu Fouriera
ma postać
)
sin
cos
(
)
(
1
1
1
0
∑
+
+
=
∞
=
n
n
n
t
n
b
t
n
a
a
t
x
ω
ω
.
(8.2)
Współczynniki szeregu Fouriera a
0
, a
n
, b
n
można wyznaczyć analitycznie,
jeżeli jest znane równanie przebiegu, lub na podstawie pomiaru za pomocą
przyrządu – analizatora harmonicznych.
Przykładowo, sygnał okresowy w postaci fali prostokątnej można przedsta-
wić za pomocą nieskończonego szeregu trygonometrycznego nieparzystych
harmonicznych (1, 3, 5, 7, ...) o malejących amplitudach (Rys.8.5). Jest to
przedstawienie sygnału w dziedzinie czasu.
)
...
7
sin
7
1
5
sin
5
1
3
sin
3
1
(sin
4
)
(
1
1
1
1
+
+
+
+
=
t
t
t
t
A
t
x
ω
ω
ω
ω
π
(8.3)
Rys. 8.5. Aproksymacja fali prostokątnej ograniczoną liczbą harmonicznych.
Sygnały okresowe można przedstawić wykreślnie również w dziedzinie
częstotliwości
. Na osi odciętych przyjmuje się częstotliwość f, (lub pulsację ω =
2πf ). Natomiast na osi rzędnych amplitudy lub stosunki amplitud (Rys.8.6).
Długość prążków jest proporcjonalna do wartości amplitud odpowiednich
harmonicznych znajdujących się w analizowanym sygnale. Wykres taki nosi
nazwę widma amplitudowego lub widma częstotliwości. Widma sygnałów
okresowych
mają
charakter
dyskretny,
natomiast
widma
sygnałów
nieokresowych (np. sygnał impulsowy lub stochastyczny) – charakter ciągły
(Rys. 8.9, 8.10).
t
-1 ,5
0
1 ,5
-0 ,2
0 ,8
1 ,8
2 ,8
3 ,8
4 ,8
5 ,8
x
t
A
t
A
x
1
sin
4
1
ω
π
=
t
A
x
1
3
sin
3
4
3
ω
π
=
t
A
x
1
5
sin
5
4
5
ω
π
=
5
3
1
x
x
x
x
+
+
=
-1 ,5
0
1 ,5
-0 ,2
0 ,8
1 ,8
2 ,8
3 ,8
4 ,8
5 ,8
x
A
t
A
x
1
sin
4
1
ω
π
=
t
A
x
1
3
sin
3
4
3
ω
π
=
3
1
x
x
x
+
=
92
częstotliwość
filtr idealny
częstotliwość
filtr rzeczywisty
Rys. 8.6. Widmo amplitudowe sygnału prostokątnego.
2.3. Filtry pasmowo – przepustowe
Analiza widmowa znajduje zastosowanie w wielu dziedzinach techniki,
szczególnie w diagnostyce maszyn i pomiarach drgań. W analogowych
analizatorach widma częstotliwości najczęściej stosowane są elektryczne filtry
pasmowo – przepustowe. Filtry te przepuszczają składowe sygnału, których
częstotliwości znajdują się w paśmie przepustowym filtru.
Rys. 8.7. Charakterystyka filtru idealnego i rzeczywistego.
Na Rys.8.7 przedstawiona jest charakterystyka idealnego i rzeczywistego
filtru pasmowo – przepustowego. Idealny filtr pasmowy powinien mieć
tłumienie równe zeru w paśmie przepustowym i nieskończenie wielkie poza tym
pasmem, a więc charakterystyka idealnego filtru jest prostokątna. Tłumienie
filtrów podawane jest w decybelach.
=
=
we
wy
we
wy
U
U
U
U
dB
N
log
20
log
10
]
[
2
2
,
(8.4)
gdzie U
wy
i U
we
oznaczają odpowiednio sygnał wyjściowy i wejściowy filtru.
1
0 ω
1
3ω
1
5ω
1
7ω
1
ω
A
n
A
π
4
π
3
4
π
5
4
π
7
4
T
π
ω
2
1
=
x(t
A
T
t
93
Charakterystyki filtrów rzeczywistych zbliżają się do charakterystyk filtrów
idealnych, jeżeli mają płaską część charakterystyki w paśmie przepustowym i
możliwie strome zbocza.
Filtry pasmowe określa się za pomocą częstotliwości środkowej f
0
oraz
szerokości pasma B = f
2
- f
1
wyznaczonej przez częstotliwości graniczne: dolną f
1
i górną f
2
, przy których tłumienie sygnału wynosi -3dB (moc sygnału zmniejsza
się dwukrotnie:
2
1
2
2
=
we
wy
U
U
), tzn. wzmocnienie zmniejsza się z wartości k = 1 do
wartości k = 1/
√2 w porównaniu ze średnim poziomem w paśmie przepustowym
- Rys.8.7.
Do analizy częstotliwościowej sygnałów drgań stosuje się dwa rodzaje filtrów:
-
filtry o stałej bezwzględnej szerokości pasma np. 3Hz, 100Hz itp.
-
filtry o stałej procentowej szerokości pasma, odniesionej do częstotliwości
środkowej f
0
, np.3%, 10%, 30 % (Rys.8.8). Nazywane są też filtrami o stałej
względnej szerokości pasma.
Rys.8.8. Charakterystyki filtru wąskopasmowego o szerokości 3%, 10% i 30%
Częstotliwość środkowa pasma i częstotliwości graniczne tych filtrów są
związane zależnością:
2
1
0
f
f
f
⋅
=
(8.5)
Jeżeli szerokość pasma jest równa jednej oktawie, jest to tzw. filtr oktawowy
(B
≈ 70%), jeśli 1/3 oktawy - filtr tercjowy. Oktawa jest zakresem częstotliwości,
w którym częstotliwość górna jest dwukrotnie większa od częstotliwości dolnej,
a tercja jest to szerokość pasma, w którym częstotliwość górna jest
26
,
1
2
3
≈
razy większa od częstotliwości dolnej. Określenie „oktawa” pochodzi
stąd, iż jej szerokość obejmuje osiem dźwięków skali muzycznej. Częstotliwości
środkowe tworzą postęp geometryczny, a wartości znormalizowane są
zaokrąglane, np. 1,0 Hz; 1,25 Hz; 1,6 Hz; 2,0 Hz; 2,5 Hz; 3,15 Hz; 4,0 Hz,...itd.
0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
0,7
0,8
0,9
1
0,1
1
10
we
wy
U
U
0
f
f
30%
10%
3%
94
Szerokość pasma przepuszczania jest proporcjonalna do częstotliwości
środkowych, a więc jest zmienna. Stosowane są też filtry o szerokości 1/12 i 1/24
oktawy. Im węższa jest szerokość pasma filtru, tym bardziej szczegółowe
informacje można uzyskać z analizowanego przebiegu, ale tym dłuższy jest
wtedy czas analizy.
Przebiegi analizowanych sygnałów w filtrach o stałej bezwzględnej
szerokości pasma, przedstawiane są w liniowej skali częstotliwości, a w filtrach
o stałej względnej procentowej szerokości pasma, w logarytmicznej skali
częstotliwości. Na Rys.8.9 przedstawione są charakterystyki filtrów zarówno w
liniowej jak i w logarytmicznej skali częstotliwości. Wynika z niego celowość
stosowania odpowiedniej skali w celu możliwości intrepretacji charakterystyk.
Rys. 8.9. Przykład charakterystyk filtrów w liniowej i logarytmicznej skali częstotliwości.:
a)– filtr o stałej bezwzględnej szerokości pasma wynoszącej 400Hz, b) – filtr o
stałej względnej szerokości pasma równej 1/1 oktawy tzn. ok. 70% często-
tliwości środkowej.
2.4. Analiza drgań z zastosowaniem szybkiej transformaty Fouriera.
Na badany obiekt w czasie jego pracy działa kilka sił zmiennych
)
t+
sin(
sin
sin
2
2
2
1
1
1
k
k
k
P
,
),
+
t
(
P
),
+
t
(
P
ϕ
ω
ϕ
ω
ϕ
ω
K
,
(8.6)
i w efekcie ich działania uzyskuje się złożony przebieg drgań obiektu. Aby określić
pochodzenie sił wymuszających i ich wpływ na drgania obiektu należy sygnał
drgań x(t) otrzymany z czujnika (Rys. 8.10) rozłożyć na składowe harmoniczne
∑
=
+
=
k
i
i
i
i
t
A
t
x
1
)
sin(
)
(
β
ω
.
(8.7)
Przebieg drgań z czujnika zostaje zarejestrowany przez moduł kontrolno-
pomiarowy w postaci funkcji dyskretnej x
i
. Dane są rejestrowane w wybranych
H
z
H
z
a)
H
z
H
z
b)
95
chwilach czasowych tzn. są próbkowane (Rys.8.10).
Rys. 8.10. Ilustracja próbkowania sygnału
Długość zarejestrowanego zespołu danych
∆
t
(czas rejestracji) jest
ograniczona. Czas próbkowania określa zależność:
2B
1
t
∆
=
,
(8.8)
gdzie: B – szerokość pasma częstotliwości.
Czas próbkowania wyznacza się w oparciu o górną granicę dziedziny
częstotliwości f
∈(0; B), którą należy założyć. Liczbę wykonanych próbek N także
należy założyć, najlepiej jako wielokrotność liczby 2 (wyjaśnienie, dlaczego
przyjmuje się takie założenie, nastąpi w dalszej części instrukcji). Dane te
przekazane do komputera są przetwarzane wg opisanego niżej programu.
Obliczana jest transformata Fouriera danych:
∑
−
=
−
−
=
1
0
2
1
...,
,
1
,
0
;
N
i
N
k
i
j
i
k
N
k
e
x
X
π
(8.9)
Odbywa się to z wykorzystaniem procedury szybkiej transformaty Fouriera -
FFT. Zastosowanie tej procedury pozwala na znaczne zmniejszenie czasu obliczeń.
Korzyści wynikające z tego zostaną przedstawione w skrócie poniżej. Przyjmijmy,
że:
e
-
=
W
N
2
j
π
,
(8.10)
N-1
...,
1,
= 0,
; k
W
x
=
X
ik
i
N-1
i=0
k
Σ
.
(8.11)
Zależność (8.11) można przedstawić w postaci:
0
t
x(t)
∆ t
∆ t
∆ t
T= N
∆ t
x (
∆ t)
x (n
∆ t)
96
W
x
=
X
dA)
+
aB)(c
+
(b
aB)
+
(b
1
-
A
0
=
a
1
-
B
0
=
b
dA)
+
(c
Σ
Σ
,
(8.12)
gdzie:
i
= b + a B
- wskaźnik próbek czasu;
k
= c + d A
- wskaźnik próbek częstotliwości;
a, c
= 0, 1, ... A-1; b, d = 0, 1, ... B-1.
Wykładniki członu W w poprzednim równaniu mogą zostać przekształcone
następująco:
W
W
W
=
W
W
W
W
=
W
acB
bdA
bc
adAB
acB
bdA
bc
dA)
+
aB)(c
+
(b
. (8.13)
Wynika to z faktu, że a i d są liczbami całkowitymi, a potęga zespolonego
członu wykładniczego W, będąca wielokrotnością N, jest równa jedności. Część
zespolonego członu wykładniczego może zostać wyłączona z sumy wewnętrznej, a
zatem:
W
W
x
W
X
bc
acB
aB)
+
(b
1
-
A
0
=
a
bdA
1
-
B
0
=
b
dA)
+
(c
=
Σ
Σ
.
(8.14)
Wyłączenie członu wykładniczego jest równoznaczne z eliminacją liczby
mnożeń. Czyli zamiast
N
=
)
B
A
(
)
B
A
(
2
(8.15)
jest
)
B
+
A
(
N
=
)
B
+
A
(
B
A
.
(8.16)
W praktyce szczególne znaczenie mają procedury obliczeniowe dla liczby
próbek N będącej potęgą liczby 2. W takim przypadku człony wykładnicze
przybierają wartości +1 i -1, co prowadzi do pominięcia operacji mnożeń na
liczbach zespolonych i dodatkowo zmniejsza czasochłonność procedury.
Następnie wyznaczane jest widmo mocy sygnału:
2
1
+
N
....
1,
0,
=
k
;
|
X
|
N
t
2
=
G
k
2
k
,
∆
.
(8.17)
Cały przedział częstotliwości jest tak podzielony, że częstotliwości dyskretne
są odległe od siebie o
t
N
1
=
f
∆
∆
.
(8.18)
W wyniku tej procedury sygnał pomiarowy zostaje rozłożony na składowe
określone poziomem wielkości gęstości mocy sygnału. Pozwala to na ocenę, które
z sił wymuszających, tzn. o jakiej częstotliwości, dają największe składowe
przebiegu, czyli mają największy wpływ na drgania obiektu. Na Rys. 8.11, 8.12 i
8.13 przedstawiono przebiegi czasowe i widma rzeczywistych przebiegów,
wyznaczone przy zastosowaniu szybkiej transformaty Fouriera.
97
Rys. 8.11. Przebieg czasowy i widmo amplitudowe sygnału impulsowego.
Dla sygnału impulsowego (Rys. 8.11) widmo amplitudowe ma charakter
ciągły. Teoretyczny impuls δ(t) (funkcja Diraca) zawiera sygnały o wszystkich
częstotliwościach od -
∞ do + ∞, o jednakowej amplitudzie równej 1. W chwili t
= 0 wszystkie składowe widma są w jednakowej fazie. Właśnie ta koncentracja
umożliwia powstanie impulsu [1]. Krótkotrwały impuls spowodowany na
przykład uderzeniem tzw. młotka pomiarowego, (posiadającego wmontowany
czujnik siły) zawiera składowe o jednakowej amplitudzie w szerokim zakresie
częstotliwości. A więc układ jest wymuszany wszystkimi częstotliwościami, co
umożliwia uzyskanie tzw. charakterystyk dynamicznych (sztywności lub podatności
dynamicznej) przy pomocy analizatora FFT.
Rys. 8.12. Przebieg czasowy i widmo sygnału stochastycznego.
SYGNAL SZUMU
0
500µ
1m
1,5m
2m
2,5m
3m
3,5m
4m
4,5m
5m
-4
-3
-2
-1
0
1
2
3
4
[V]
SYGNAL SZUMU
0
500µ
1m
1,5m
2m
2,5m
3m
3,5m
4m
4,5m 5m
-4
-3
-2
-1
0
1
2
3
4
[N]
WIDMO
SZUMU
4k
8k
12k
16k
20k
24k
10µ
30µ
100
µ
300
µ
1m
3m
10
m
30
m
[V]
WIDMO
SZUMU
4k
8k
12k
16k
20k
24k
10µ
30µ
100µ
300µ
1m
3m
10m
30m
100m
[N]
[s]
[Hz]
SYGNAŁ SZUMU
WIDMO SZUMU
WYMUSZENIE IMPULSOWE
WYMUSZENIE IMPULSOWE
Working : Input : Input : FFT Analyzer
0
10m
20m
30m
40m
50m
60m
70m
80m
90m 100m
-80
-40
0
40
80
[s]
[N]
WYMUSZENIE IMPULSOWE
Working : Input : Input : FFT Analyzer
0
10m
20m
30m
40m
50m
60m
70m
80m
90m 100m
-80
-40
0
40
80
[s]
[N]
WIDMO SYGNALU
IMPULSOWEGO
200
400
600
800
1k
1,2k
1,4k
1,6k
[N]
200
400
600
800
1k
1,2k
1,4k
[Hz]
0,3
0,1
30m
10m
3m
1m
0,3m
0,1m
[N]
WYMUSZENIE
IMPULSOWE
[N
]
80
40
0
-80
-40
[N]
80
40
0
-40
-80
0 10m 20m 30m 40m 50m 60m 70m 80m 90m [s]
WIDMO SYGNAŁU IMPULSOWEGO
[N]
0
98
Sygnałem stochastycznym jest sygnał, którego wartości w każdej chwili są
zmiennymi przypadkowymi (losowymi). Duże znaczenie praktyczne ma sygnał
stochastyczny całkowicie nieuporządkowany, zawierający wszystkie częstotliwości
o jednakowej amplitudzie. Jego energia jest równomiernie rozłożona w całym
pasmie częstotliwości (Rys. 8.12). Przez analogię do widm optycznych nazywany
jest białym szumem. Jeżeli sygnałem z generatora szumu zasilimy wzbudnik, mamy
również wymuszenie siłą zawierającą wszystkie częstotliwości, co pozwala bardzo
szybko uzyskać charakterystykę dynamiczną badanego obiektu.
Na Rys. 8.13 przedstawiony jest przykład rzeczywistych drgań obiektu i jego
charakterystyka widmowa, wyznaczona przy zastosowaniu szybkiej transformaty
Fouriera.
Rys. 8.13. Przebieg czasowy i widmo przyspieszenia drgań.
3. Stanowisko pomiarowe
Obiektem badań jest sprężarka tłokowa. Drgania sprężarki mierzone w czasie
jej normalnej pracy mają przebieg złożony. Jest to wynikiem nałożenia się efektów
działania kilku sił wymuszających o różnych częstościach, które są związane z
pracą urządzenia. Aby określić pochodzenie sił wymuszających należy
przeprowadzić analizę częstościową przebiegu drgań. Pozwala to na wyznaczenie
częstości składowych drgań, a tym samym równych im częstości sił
wymuszających. Analiza sygnału z czujnika pomiarowego będzie w ćwiczeniu
prowadzona dwoma sposobami:
1.
Bezpośrednia analiza przebiegu drgań sprężarki za pomocą analogowego
analizatora wąskopasmowego znajdującego się w mierniku drgań.
2.
Analiza komputerowa danych o przebiegu drgań zebranych z czujnika
drgań przez moduł kontrolno-pomiarowy z zastosowaniem szybkiej
transformaty Fouriera (FFT) .
PRZYSPIESZENIE, KIERUNEK Z
Working : Input : Input : FFT Analyzer
0
5m
10m
15m
20m
25m
30m
35m
40m
45m
50m
-8
-4
0
4
8
[s]
[m/s²]
PRZYSPIESZENIE, KIERUNEK Z
Working : Input : Input : FFT Analyzer
0
5m
10m
15m
20m
25m
30m
35m
40m
45m
50m
-8
-4
0
4
8
[s]
[m/s²]
PRZYSPIESZENIE,
KIERUNEK Z
[m/s
2
]
8
4
0
-4
-8
0 5m 10m 15m 20m 25m 30m 35m 40m 45m [s]
WIDMO, KIERUNEK Z
200
400
600
800
1k
1,2k
1,4k
1,6k
1,8k
2k
2,2k
0
400m
800m
1,2
1,6
2
[m/s˛]
WIDMO, KIERUNEK Z
200
400
600
800
1k
1,2k
1,4k
1,6k
1,8k
2k 2,2k
0
400m
800m
1,2
1,6
2
[m/s
2
]
WIDMO, KIERUNEK Z
[m/s
2
]
0 200 400 600 800 1k 1,2k 1,4k 1,6k 1,8k [Hz]
2
1,6
1,2
0,8
0,4
99
4. Przebieg ćwiczenia
Część 1.
Analiza drgań za pomocą analogowego analizatora wąskopasmowego.
1.
Wybrać odpowiedni czujnik (piezoelektryczny, elektrodynamiczny lub
transformatorowy) w zależności od obiektu i warunków pomiaru drgań.
2. Umieścić czujnik drgań na badanym obiekcie.
3. Przełącznikiem kanałów w mierniku drgań wybrać właściwy kanał pomiarowy
(1 lub 2).
4. Przełącznik rodzaju mierzonej wielkości ustawić w położenie a, v lub ζ
(przyspieszenie, prędkość lub przemieszczenie).
5. Przełącznik zakresu mierzonej wielkości nastawić na największą wartość.
6. Przełącznik SZEROKOŚĆ PASMA analizatora ustawić w położenie LIN (całe
widmo częstotliwości).
7. Miernik drgań włączyć do sieci, uruchomić badany obiekt.
8. Zmieniając zakres przełącznikiem zakresu pomiarowego, doprowadzić do
wychylenia wskazówki miernika powyżej 1/3 zakresu. Zanotować wskazania
miernika.
9. W celu przeprowadzenia analizy, ustawić przełącznik SZEROKOŚĆ PASMA
analizatora w położenie 30% i przestrajać częstotliwość f
0
potencjometrem
pomiarowym, aż do uzyskania wyraźnych wychyleń wskazówki miernika. Dla
dokładnego określenia częstotliwości, zmienić szerokość pasma na 3%.
10. Zanotować poziom składowych widma badanych drgań oraz częstotliwości,
przy których występują.
Część 2. Analiza drgań z zastosowaniem szybkiej transformaty Fouriera.
1. Umieścić czujnik drgań na badanym obiekcie.
2. Włączyć zasilanie komputera, monitora i miernika drgań.
3. Uruchomić program obliczeniowy o nazwie sygnal: wpisać polecenie:
sygnal,
potem nacisnąć klawisz Enter.
4. Uruchomić badany obiekt.
5.
Przeprowadzić analizę drgań wg programu
sygnal.
5. Literatura
1. Hagel R., Zakrzewski J.: Miernictwo dynamiczne, WNT, Warszawa 1984.
2. Otnes R.K., Enochson L.: Analiza numeryczna szeregów czasowych, WNT,
Warszawa 1978.
3. Katalogi firmy Bruel & Kjær.
100
6. Sprawozdanie z wykonanego ćwiczenia.
1. Przy użyciu programu komputerowego wydrukować sprawozdanie z
przeprowadzonego ćwiczenia.
2. Wpisać do sprawozdania wyniki pomiarów z analizatora.
3. Porównać wyniki analizy częstościowej przeprowadzonej przy pomocy analizy
FFT i analizatora wąskopasmowego.
5.
Na podstawie przeprowadzonych badań określić źródła wymuszeń tzn.
pochodzenie sił wymuszających.
6.
Porównać obie metody analizy drgań.